La nano- à micro-structure des opales gemmes naturelles: Relation avec les conditions de formation et de croissance

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1 Article : Site Internet dédié à la gemmologie et à l étude des pierres. La nano- à micro-structure des opales gemmes naturelles: Relation avec les conditions de formation Présentation/Article de E. Fritsch* 1, M. Ostroumov 2, B. Rondeau 3, B. Aguilar-Reyes 1, A. Barreau 1, D. Albertini 1, E. Gaillou 1 et J. Wery 1. Traduction, arrangements par J.-M. Arlabosse et T.Biadatti. Photos : Alain Cossard, David Albertini, Bernard Lasnier, Emmanuel Fritsch, Bertha Aguilar, Bertrand Devouard, François Mazzero La plupart des opales étudiées jusqu'ici sont: Opales d intérêt géologique (radiolarite, etc.) Opale A (amorphes en diffraction des rayons X [ang. XRD: X-ray Diffraction] suivant la classification de Jones et Segnit (1971) ) gemme australienne «sédimentaire» la plupart du temps avec jeux de couleur (diffraction de la lumière visible). Cette étude se focalise principalement sur des opales gemmes les moins étudiées. -Majoritairement du type CT (Cristobalite-Tridymite correspondant à de l'alpha-cristobalite désordonnée en XRD et microscopie électronique à transmission [ang. TEM: Transmission Electron Miscroscopy]) -La plupart trouvées dans un environnement volcanique -La plupart sont des opales communes (pas de jeux de couleur) ; 10/06/2004 1de11

2 xcghxfghdfgjhdfjdghjfhbgwuys fgjhs gdfujgs jdgfqs hug fjhqgs jfdgqjs gfjkqgf jqs gfgqfkqgfjkqgs fgqks j La nano- à micro-structure des opales gemmes naturelles: Relation avec les conditions de formation La brique élémentaire observée en utilisant les techniques de microscope à force atomique (ang. AFM: Atomic Force Microscope) et microscopie à balayage électronique (ang. SEM: Scanning Electron Microscopy) est un nanograin élémentaire de 20 à 40 nm de dimension. Dans l opale de feu, ces grains ne montrent aucun ordre ou arrangement particulier Image AFM d une cassure fraîche d opale de feu => Pas d ordre Vu dans les opales du Mexique, d Ethiopie, du Kazakstan, du Brésil Arrangement des nanograins suivant une dimension: Bâtonnets et fibres. - Les nanograins peuvent s associer pour former des bâtonnets ressemblant à des bacilles Partie blanche d une opale de feu, Cerro Viejo, Queretaro, Mexico Opales roses fibreuses : Opale rose de Mapimi, Mexique - Parfois plus de 40% de fibres de palygorskite (un silicate en feuillet plus connu sous le nom de "cuir des montagnes" ) d environ 20 nm de diamètre. - Les nanograins s alignent sur les fibres de palygorskite pour former des fibres d opale Les fibres de Palygorskite (environ 30%) sont de 20 nm de diamètre. Nanograins d opale CT groupés en fibres contre les lattes de palygorskite. ; 10/06/2004 2de11

3 Organisation à deux dimensions. - Nanograins d environ 20 nm formant des cristaux tabulaires d alpha-cristobalite Organisation des nanograins suivant deux puis trois dimensions: LEPISPHERES. - Ces cristaux tabulaires sont associés de manière à former une distribution qui est globalement sphérique: une lépisphère - Ces lépisphères peuvent avoir des diamètres différents et supérieurs à plusieurs micromètres Opale blanche Mexicaine extrêmement hygroscopique (Queretaro). ; 10/06/2004 3de11

4 Organisation des lépisphères tridimensionnelle ou non. DESORDONNEE Les lépisphères sont généralement toutes de la même dimension. - Opale commune - La couleur est blanche crayeuse Lépisphères d environ 1 micron de diamètre aléatoirement organisées. Opale commune blanche crayeuse (Queretaro, Mexique). ORDONNEE Réseau tridimensionnel de lepisphères monodisperses (une seule taille de lépisphères) d'environ 200 nm : - Diffracte la lumière: - Blanc crayeux jeux de couleur pour joaillerie (peut être traitée pour devenir noire) Réseau organisé de lépisphères d environ 250 nm. jeux de couleur d une opale blanche crayeuse («Tizates», «Os, (ang. bone)» ou «cendre (ang. cinder)» Jalisco, Mexique) pouvant être traitée pour devenir noire. Opale à jeux de couleur transparente. Organisation tridimensionnelle invisible sur une cassure fraîche, structure révélée seulement par une attaque par de l'acide fluorhydrique (HF). Réseau de trous dans une matrice faite de nanograins d environ 20 nm Opale à jeux de couleur, Jalisco <Cassure fraîche Après attaque HF> ; 10/06/2004 4de11

5 Deux catégories d opales CT avec jeux de couleur. Un type de silice Forte diffusion de la lumière -> Blanc Deux types de silice avec des solubilités et des indices de réfraction différents Pas de diffusion de la lumière -> transparent Lepisphères visibles sur une cassure fraîche Structure visible seulement après une attaque HF, lepisphères à priori dissoutes Il y a toute une gamme de situations intermédiaires entre ces deux extrêmes Premiere description d opale CT bidisperse (deux tailles de lépisphères). Collaboration avec J.-P. Gauthier, Université de Lyon, France. Deux dimensions de lépisphères ; 10/06/2004 5de11

6 Modèle structural dans le rectangle blanc: Une taille de lépisphères suivant I, une autre taille suivant II. Rapport R/r des deux diamètres: Structure hexagonale type 2H, ABAB analogue a une phase de Laves comme MgZn2 Influence de la qualité de l'empilement des lépisphères sur le jeux de couleurs. Seuls des cas quasi parfaits ont été vus jusqu ici, une organisation de mauvaise qualité donne des jeux de couleurs faibles et "étalés" Los Laureles, Jalisco ; 10/06/2004 6de11

7 Opale bleue La Carbonera, Queretaro Cas peu courants (rarement documentés) ordre tridimensionnel sans diffraction. - Les lépisphères doivent avoir le même indice de réfraction que celui de la matrice, alors qu elles sont plus solubles - Les lépisphères sont trop grosses pour diffracter en dépit de l arrangement tridimensionnel Les indices de réfraction peuvent ou non être différents Une opale de feu normale révèle un jeu de couleur après une attaque HF ; 10/06/2004 7de11

8 Conclusion sur la structure. Il existe beaucoup de variations de la structure de l opale, toutes fondées sur différents arrangements de nanograins ou de lépisphères. Dans certains cas, pour expliquer les observations, il y a au moins deux types de silice. Relation entre la structure et le mode de formation. Est ce que les opales CT gemmes se forment dans un environnement volcanique et les opales A gemmes dans un environnement sédimentaire? Valable et fonctionne bien pour: ->Dépôts volcaniques classiques comme au Mexique, en Ethiopie, au Honduras, au Kazakhstan, les dépôts volcaniques moins connus du Brésil (MG) et d Australie (Tintenbar) où les opales CT sont trouvées. ->Dépôts sédimentaires classiques comme ceux du sud et du centre de l Australie et du Brésil (Etat du Piaui) où les opales A sont trouvées Qu est ce qui contrôle la formation d opales A plutôt que d'opales CT? Le paradoxe des opales ( Hongroises ) de Slovaquie. Opales A dans un environnement volcanique (andesite venant du complexe volcanique en couches de Zlata Bana) Opales A de Slovaquie. Effet inhabituel et unique de capillarité entre les sphères ; 10/06/2004 8de11

9 Autres exemples. L archétype du dépôt d opales CT de renommée mondiale pour l opale de feu Opale de feu CT typique. Ainsi, il y a apparemment des opales A secondaires dans de grandes cavités de tuf rhyolithique. ; 10/06/2004 9de11

10 Opale A du Honduras: jeux de couleur dans une matrice blanche Paramètres de contrôle 1) Lieu de formation -Tectonique pour certains échantillons d opale A gemme Formation liée à des épisodes tectoniques en Slovaquie et non à une phase éruptive. De même, contrôle lié à des failles tectoniques en Australie. -Vésicules ou espace libre pour les opales CT gemmes NOTE: Les modes de formation des opales A et des opales CT ne peuvent pas être si différents: les deux produisent des opales gemmes bidisperses avec les mêmes paramètres 2) Résultats (très) préliminaires des estimations de T en utilisant le delta 18 O (abondance naturelle de l isotope stable rare de l oxygène de poids 18, dans les différentes opales). Echantillon Rendement (µmol of delta 18O SMOW ( ) * Température ( C) O2/mg) Slovaquie OP547 16,5 31,5 26,6 Slovaquie OP282 16,9 29,3 39,5 Slovaquie 86.2OP 16,5 31,5 26,6 Slovaquie 86.Hy 16,7 31,4 27,2 Australie OPAust 15,9 32,3 22,2 Mexique ,5 13,0 186,9 Standard Quartz 16,8 10,1 229,4 Opale A: basse T environ 30 C; Opale CT: Haute T environ 170 C SMOW: Standard Medium Oceanic Water. C'est l'eau "normale". Indirectement, et avec pas mal d'hypothèses, le pourcentage d'oxygene 18 permet de remonter à la température de formation des opales (article sous presse dans European Journal of Mineralogy) ; 10/06/ de11

11 Conclusions - La structure de l opale CT gemme peut être décrite en utilisant différents degrés d organisation des nanograins de silice d environ 20 nm de dimension - Plus de quatre degrés d organisations pour les opales CT àjeux de couleur - Il ne s agit pas d un processus de cristallisation - Il peut y avoir plus d un type de silice dans les opales CT - L environnement géologique n est pas directement pertinent - Le paramètre majeur contrôlant le type d opale gemme formée est la température. -->Opale A basse T 30 C -->Opale CT «HT» 170 C EF 1) LPC & CMC, IMN, Nantes FR 2) Dept. de Geologia y Mineralogia, Universidad Michoacana de San Nicolas de Hidalgo, Morelia, MX 3) Dept. Histoire de la Terre, Museum National d'histoire Naturelle (MNHN), Paris, FR ; 10/06/ de11